WO2006013888A1 - 三フッ化窒素ガス発生用炭素電極 - Google Patents

三フッ化窒素ガス発生用炭素電極 Download PDF

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WO2006013888A1
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fluoride
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nitrogen trifluoride
trifluoride gas
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Akimasa Tasaka
Masashi Kodama
Udai Tanaka
Hitoshi Takebayashi
Tetsuro Tojo
Atsuhisa Mimoto
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Toyo Tanso Co., Ltd.
Mitsui Chemicals, Inc.
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    • C25B11/044Impregnation of carbon
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
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    • C25B11/03Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by shape or form perforated or foraminous

Definitions

  • the present invention relates to nitrogen trifluoride gas (hereinafter referred to as NF).
  • Patent Document 1 A carbon electrode for generating nitrogen trifluoride gas and a nitrogen trifluoride gas generator using the same are known.
  • Patent Document 1 is a carbon electrode for generating fluorine gas or nitrogen trifluoride gas comprising a carbonaceous material, lithium fluoride, and a metal fluoride having a melting point equal to or higher than the firing temperature of the carbonaceous material.
  • a carbon electrode for generating fluorine gas or nitrogen trifluoride gas wherein the content of the two-component metal fluoride comprising the lithium fluoride and the metal fluoride is 0.1 to 5% by mass.
  • Patent Document 2 proposes a method for suppressing the polarization of a carbon electrode by impregnating the carbon electrode with a metal fluoride such as lithium fluoride, sodium fluoride, aluminum fluoride, or magnesium fluoride. .
  • Patent Document 1 Japanese Unexamined Patent Publication No. 2001-295086
  • Patent Document 2 JP-A-5-5194
  • the metal fluoride in Patent Document 1 is composed of a eutectic system of lithium fluoride and calcium fluoride.
  • This eutectic metal fluoride includes a step of melting lithium fluoride and calcium fluoride at a temperature higher than their melting points, and further crushing the produced eutectic metal fluoride and a carbon material. A process of mixing and firing is required, which is complicated and expensive.
  • the electrolytic bath for NH F-HF is used. This electrolytic bath has low viscosity, and further
  • the first stage compound is a material in which an inter force runt is inserted in each layer of the black lead layer, and the material swells greatly, resulting in the destruction of the structure.
  • a carbon electrode having a relatively high mechanical strength with few pores in the structure is manufactured by simply mixing a specific metal fluoride with a carbon material and firing it.
  • the purpose is to create a carbon electrode that shows life.
  • the present invention further examines the type of metal fluoride contained in the carbon electrode and the content thereof, and thus the above-described problem, that is, the electrolytic bath inside the carbon electrode pores. Solve the problems of preventing (liquid) intrusion and suppressing polarization action A carbon electrode that can be obtained can be obtained, and the present invention has been completed.
  • the gist of the present invention is a carbon electrode having a fine texture with an average pore diameter of 0.5 m or less. If the average pore diameter is larger than 0.5 m, the electrolytic bath may enter the carbon electrode and cause the electrode to collapse.
  • the average pore diameter of the carbon electrode was measured by mercury porosimetry, and the pore radius showing a value corresponding to half of the cumulative pore volume was taken as the average pore diameter.
  • the carbon electrode for generating nitrogen trifluoride gas according to the present invention comprises at least one selected from a carbonaceous material, magnesium fluoride having a melting point equal to or higher than the firing temperature of the carbonaceous material, and aluminum fluoride. There will be power.
  • magnesium fluoride and aluminum fluoride are contained up to the center of the carbon electrode, when viewed microscopically, magnesium fluoride and aluminum fluoride are trapped between the black lead layers that make up the carbon electrode.
  • An intercalation compound can be formed to suppress the polarization action. This is also economically advantageous in that it can replace expensive lithium fluoride that has been used exclusively as a polarization inhibitor. It is also possible to use a mixture of magnesium fluoride and aluminum fluoride.
  • metal fluoride (MF) such as magnesium fluoride or aluminum fluoride is present on the electrode surface, the metal fluoride is a metal fluoride in a higher-order oxidation state as shown in the following formula (3). This high-order oxidation state metal fluoride forms an active complex of the following formula (4), and further, the active complex becomes a fluorine-graphite intercalation compound, and the metal fluoride returns to its original form catalytically.
  • the present invention uses NH F—KF—HF system for the electrolytic bath. Potassium fluoride N HF-By adding to the HF electrolytic bath, the viscosity of the electrolytic bath is increased and carbon in the electrolytic bath is increased.
  • the HF activity in the carbon pores can be reduced, and the collapse of the electrode during electrolysis can be suppressed.
  • the content of at least one selected from the internal forces of magnesium fluoride and aluminum fluoride is 3 to 10 wt%.
  • the content of at least one selected from the internal forces of magnesium fluoride and aluminum fluoride is lower than 3 wt%, the effect of the metal fluoride as a catalyst for the generation of fluorine-graphite intercalation compounds is sufficiently exerted.
  • the strength of the electrode itself is not preferable.
  • an electrode since there is no step of preparing a eutectic metal fluoride, an electrode can be produced very easily and inexpensively.
  • the physical strength of the electrode was improved compared to the carbon electrode containing calcium fluoride, and it was possible to further extend the life of the electrode and continue electrolysis for a long time.
  • Even in the one-way system there is a catalytic action for the generation of a fluorine-carbon intercalation compound having ionic bonds and semi-covalent CF bonds, and the generation of the anodic effect can be suppressed.
  • this reaction proceeds moderately, it contributes to an increase in the polarity of the electrode material surface, improves the wettability between the electrolytic bath and the electrode, and exhibits the effect of suppressing the polarization of the electrode.
  • the first stage compound when the first stage compound is formed, the material swells and collapses.
  • the addition of A1F and MgF which have a milder catalytic ability for the formation reaction of fluorine-graphite intercalation compounds, enables the third stage
  • MgF Magnesium fluoride
  • A1F aluminum fluoride
  • At least one of them is uniformly mixed in a predetermined amount.
  • 3 to 10 wt% of the above metal fluoride or a mixture of metal fluorides is mixed with mesocarbon microbeads to form and calcined carbon compacts.
  • This carbon molded body is subjected to CIP molding at a pressure of 80 to 100 MPa, fired at 800 to 1000 ° C., and processed into a predetermined shape.
  • the electrode used in the present invention is not limited to the above manufacturing method.
  • the carbon electrode according to the embodiment of the present invention is made of magnesium or aluminum fluoride that does not use lithium fluoride as a metal fluoride having a catalytic action for the formation of a carbon graphite intercalation compound. Addition to the electrode suppresses the generation of the anode effect. Further, since the strength of the electrode is larger than that of the carbon electrode containing lithium fluoride-calcium fluoride, the life of the electrode is prolonged.
  • A1F with an average particle size of 10 m was added to mesocarbon microbeads with an average particle size of 15 ⁇ m, and mixed uniformly using a mixer. Then 9
  • CIP molding Cold isostatic pressing (CIP molding) was performed with OMPa. After forming into a block shape, it was packed in a sagar and fired in a continuous furnace (900 ° C). This molded body was processed into a predetermined size to obtain a carbon electrode of Example 1. Further, except for adjustment of the type and addition rate of the metal fluoride, as in Example 1, the nitrogen trifluoride gases of Examples 2 to 7 and Comparative Examples 1 to 7 having the physical properties shown in Table 1 below were finally obtained. A carbon electrode for generation was produced. In Comparative Example 7, the molding pressure was 40 MPa in order to increase the average pore diameter.
  • the carbon electrode of each example containing aluminum fluoride and magnesium fluoride having an average pore diameter of 0.5 ⁇ m or less shows the yield and polarization action of nitrogen trifluoride gas. It turns out that it does not occur. Moreover, it can be seen that the carbon electrode of each example has a much longer electrode life than the carbon electrode of each comparative example.

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Abstract

 特定の金属フッ化物を炭素材料と混合し焼成する工程を経るだけで組織に気孔の少ない比較的機械的強度の高い炭素電極を製作し、NH4F-KF-HF系、NH4F-HF系のいずれであっても炭素電極が分極することなく長寿命を示す三フッ化窒素ガス製造用炭素電極を提供する。  本発明の三フッ化窒素ガス発生用炭素電極は、平均気孔径が0.5μm以下の緻密な組織からなるものである。また、炭素質材料と、前記炭素質材料の焼成温度以上の融点を持つフッ化マグネシウム、フッ化アルミニウムの内から選ばれる少なくとも1種以上のものからなることが好ましい。また、前記フッ化マグネシウム、フッ化アルミニウムの内から選ばれる少なくとも1種以上のものの含有率は、3~10wt%であることが好ましい。                                                                                 

Description

明 細 書 三フッ化窒素ガス発生用炭素電極
技術分野
[0001] 本発明は、三フッ化窒素ガス(以下 NF
3 t 、うことがある。 )発生用炭素電極に関す るものである。
背景技術
[0002] 三フッ化窒素ガス発生用炭素電極及びこれを用いた三フッ化窒素ガス発生装置は 公知となっている。例えば、下記特許文献 1に開示されるものがある。この特許文献 1 のものは、炭素質材料と、フッ化リチウムと、炭素質材料の焼成温度以上の融点を持 つ金属フッ化物とからなるフッ素ガスまたは三フッ化窒素ガス発生用炭素電極であつ て、前記フッ化リチウムと前記金属フッ化物とからなる 2成分系金属フッ化物の含有率 が 0. 1〜5質量%であるフッ素ガスまたは三フッ化窒素ガス発生用炭素電極である。 また、炭素電極にフッ化リチウム、フッ化ナトリウム、フッ化アルミニウム、フッ化マグ ネシゥム等の金属フッ化物を含浸することによって炭素電極の分極を抑制する方法 が下記特許文献 2に提案されて 、る。
特許文献 1:特開 2001— 295086号公報
特許文献 2:特開平 5— 5194号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0003] し力し、特許文献 1における金属フッ化物は、フッ化リチウムとフッ化カルシウムの共 晶系からなる。この共晶系の金属フッ化物は、フッ化リチウムおよびフッ化カルシウム を各々の融点以上の高い温度で溶融させ、さらに、生成した共晶系の金属フッ化物 を粉砕する工程とそれを炭素材料と混合し焼成する工程が必要となり、煩雑、且つ、 コスト高となる。
[0004] また、特許文献 2に示すようなフッ化リチウムを含有した炭素電極においては、下記
(3)式に示したような共有結合性のフッ化グラフアイトの生成が抑制され、(1)式から( 2)式に示したようなフッ素 黒鉛層間化合物の生成反応が主に起こる。なお、この電 極表面に生成する共有結合性フッ化グラフアイトは、分極 (その非常に低 、表面エネ ルギ一のために陽極効果を生じる。)の原因になるものである。このように、フッ化リチ ゥムは分極を抑える効果がある力 フッ化カルシウムを含んだ炭素電極は、炭素電極 の気孔が大きくなり炭素電極の組織自体も多孔質でその強度も低い。したがって、電 解を行っていると、しばしば電極が崩壊することがあった。なお、一般的に、 NF発生
3 用電解浴は NH F— HF系が使用される。この電解浴は粘度が低ぐさらに、 HFの活
4
量が高い。このため前述のフッ化カルシウムを含んだ炭素電極では、その空孔内に
HFが浸透し、細孔内電解が進行し、その際、下記(1)式から(2)式に示したようなフ ッ素-黒鉛層間化合物 (第 1ステージ)が生じる。なお、第 1ステージィ匕合物とは、黒 鉛層の各層にインター力ラントが挿入されるもので、材料は大きく膨潤し、組織の崩 壊を生じるようになる。
[数 1]
% C + HF2—→ C x+ HF2— + e— (1 )
[数 2]
MF
% C %F→C X +F- (2)
[数 3] nC + n¥~ → (CF)M + ne~ (3)
[0005] そこで、本発明は、特定の金属フッ化物を炭素材料に混合し焼成する工程を経る だけで、組織に気孔の少ない比較的機械的強度の高い炭素電極を製作し、 NH F
4 KF— HF系、 NH F— HF系のいずれであっても炭素電極が分極することなく長寿
4
命を示す炭素電極を創出することを目的とする。
課題を解決するための手段
[0006] 本発明は、上記課題を解決するために炭素電極に含有させる金属フッ化物の種類 及びその含有量についてさらに検討を加えることによって、上記課題、すなわち、炭 素電極気孔内部への電解浴 (液)の浸入防止、分極作用の抑制という課題を解決で きる炭素電極を得ることができ、本発明を完成するに至ったものである。
すなわち、本発明は平均気孔径が 0. 5 m以下の緻密な組織力もなる炭素電極を 要旨とする。平均気孔径が 0. 5 mよりも大きくなると、電解浴が炭素電極内部に浸 入し電極を崩壊させる原因となる。炭素電極の平均気孔径は、水銀圧入法によって 測定し、累積気孔容積の半分に相当する値を示す気孔半径を平均気孔径とした。 また、本発明の三フッ化窒素ガス発生用炭素電極は、炭素質材料と、前記炭素質 材料の焼成温度以上の融点を持つフッ化マグネシウム、フッ化アルミニウムの内から 選ばれる少なくとも 1種以上のもの力もなる。フッ化マグネシウム、フッ化アルミニウム を炭素電極中心部まで含有させると、微視的に見た場合に炭素電極を構成する黒 鉛層間にフッ化マグネシウム、フッ化アルミニウムがトラップされ適度なステージの黒 鉛層間化合物を形成し分極作用が抑制できる。このことは、今まで専ら分極抑制剤と して使用されてきた高価なフッ化リチウムに代替できるという意味でも経済的に有利 である。なお、フッ化マグネシウム、フッ化アルミニウムを混合して使用することも可能 である。 (フッ化マグネシウムやフッ化アルミニウムのような金属フッ化物(MF )が電 m 極表面に存在するとき、金属フッ化物は下記(3)式に示すような高次酸化状態の金 属フッ化物となる。この高次酸化状態金属フッ化物は下記 (4)式の活性複合体を形 成し、さらに、その活性複合体はフッ素 黒鉛層間化合物となり、金属フッ化物は触 媒的にもとに戻る。 )
画 Fm + F2 ^ MFm+ ( 4 )
[数 5]
"C + MFm+JC + F2→C„ Fm ) ( 5 ) [数 6]
(MFm) C:F; + MFm ( 6 ) また、本発明は、電解浴に NH F—KF— HF系を使用している。フッ化カリウムを N H F— HF系電解浴に添加することにより、電解浴の粘度を上昇させ、電解浴の炭素
4
気孔中への浸透を制御し、結果として、炭素気孔内での HF活量を低下させ、電解 時における電極の崩壊を抑制できる。
[0008] また、前記フッ化マグネシウム、フッ化アルミニウムの内力 選ばれる少なくとも 1種 以上のものの含有率が 3〜10wt%である。前記フッ化マグネシウム、フッ化アルミ- ゥムの内力 選ばれる少なくとも 1種以上のものの含有率が 3wt%よりも低いと金属フ ッ化物のフッ素 黒鉛層間化合物生成の触媒作用としての効果が十分に発揮され ない。また、前記フッ化マグネシウム、フッ化アルミニウムの内力も選ばれる少なくとも 1種以上のものの含有率が 10wt%をこえると電極自体の強度が低下するので好まし くない。
発明の効果
[0009] 本発明は、共晶系の金属フッ化物を調製するという工程がないために、非常に簡 便且つ安価に電極を作製することができる。
また、フッ化カルシウムを含む炭素電極よりも、電極の物理的強度は向上しており、 更なる電極の長寿命化および電解の長期継続が可能となった。一元系にお 、ても、 イオン結合性および半共有結合性の C F結合をもったフッ素 炭素層間化合物生 成の触媒作用があり、陽極効果の発生を抑制することができる。この反応は、適度に 進行すると電極材料表面の極性増大に寄与し、電解浴と電極との濡れ性を向上させ 、電極の分極を抑制する効果を発揮する。しかし、上述したように、第 1ステージィ匕合 物を生ずると材料が膨潤し、崩壊に到る。 LiFに比べて、フッ素 黒鉛層間化合物生 成反応に対する触媒能力が温和な A1F、 MgFを添加することにより第 3ステージィ匕
3 2
合物に留められることがゎカゝつた。これによつて電解浴と電極の濡れ性の維持ができ 、電極の崩壊を招くことなくフッ素—黒鉛層間化合物の分極を抑制できる。また、 A1F 、 MgFを添加することによつても電極の強度を低下させることもない。これらの総合
3 2
的な効果で KFを添加して粘度を上昇させて NH— HF系で NFの収率を維持しな
4 3
力 長期間電解可能な電極を得られた。
発明を実施するための最良の形態
[0010] 次に、本発明の実施形態に係る炭素電極について説明する。 本発明の実施形態に係る炭素電極の製造方法としては、以下のようなものがあげら れる。炭素質材料の焼成温度以上の融点を持つ、フッ化マグネシウム(以下、 MgF
2 という。)、フッ化アルミニウム(以下、 A1Fという。)のうちから選ぶ。あるいは、これらの
3
うち少なくとも 1種以上を所定量均一に混合する。次に、炭素質骨材として、メソカー ボンマイクロビーズに上記金属フッ化物、あるいは、金属フッ化物の混合物を 3〜 10 wt%を混合し、成形、焼成した炭素成形体を形成する。この炭素成形体は、圧力 80 〜100MPaで CIP成形を行い、 800〜1000°Cで焼成して、所定の形状に加工され る。しかし、本発明において用いられる電極については、前記の作製方法に限定さ れるものではない。
[0011] 上記構成により、本発明の実施形態に係る炭素電極は、炭素 黒鉛層間化合物 生成に触媒作用を持つ金属フッ化物として、フッ化リチウムを用いることなぐフツイ匕 マグネシウム、もしくは、フッ化アルミニウムを電極に添加することで、陽極効果の発 生を抑制する。また、電極の強度が、フッ化リチウム—フッ化カルシウムを含む炭素電 極よりも大きいために、電極の寿命が長くなる。
実施例
[0012] (実施例 1〜7及び比較例 1〜7)
炭素質骨材として平均粒子径が 15 μ mのメソカーボンマイクロビーズに、平均粒子 径が 10 mの A1Fを 5. Owt%添カ卩し、混合機を用いて均一に混合した。その後、 9
3
OMPaで冷間静水圧成形 (CIP成形)を行い、ブロック状に成形後、サガーにつめて 連続炉(900°C)で焼成した。この成形体を所定の大きさに加工し、実施例 1の炭素 電極とした。また、金属フッ化物の種類及び添加率の調整以外、実施例 1と同様に、 最終的に下記表 1に示す物理特性を有する実施例 2〜7及び比較例 1〜7の三フッ 化窒素ガス発生用炭素電極を作製した。なお、比較例 7については、平均気孔径を 大きくするため成形圧力を 40MPaとした。
[0013] [表 1]
Figure imgf000007_0001
方法で作製された表 1に示す三フッ化窒素ガス発生用炭素電極を用いて NH F—KF— HF系の電解浴を電気分解して三フッ化窒素ガスを発生させた。その
4
ときの三フッ化窒素ガスの収率、分極の有無、電極寿命等についても調査し、表 1に 併記した。
上記表 1から、平均気孔径が 0. 5 μ m以下である、フッ化アルミニウム、フッ化マグ ネシゥムを含有させた各実施例の炭素電極は、三フッ化窒素ガスの収率、分極作用 を生じることがないことがわかる。しかも各実施例の炭素電極は、電極寿命も各比較 例の炭素電極に比べてはるかに長寿命であることがわかる。

Claims

請求の範囲
[1] 平均気孔径が 0. 5 μ m以下の緻密な組織力 なる三フッ化窒素ガス発生用炭素 電極。
[2] 炭素質材料と、前記炭素質材料の焼成温度以上の融点を持つフッ化マグネシウム
、フッ化アルミニウムの内力 選ばれる少なくとも 1種以上のものからなる請求項 1に 記載の三フッ化窒素ガス発生用炭素電極。
[3] 前記フッ化マグネシウム、フッ化アルミニウムの内力 選ばれる少なくとも 1種以上の ものの含有率が 3〜10wt%である請求項 2に記載の三フッ化窒素ガス発生用炭素 電極。
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